一种提升岩沥青低温性能的复合改性沥青方法与流程

本发明属于沥青改性剂技术领域，尤其涉及一种提升岩沥青低温性能的复合改性沥青方法。

背景技术：

目前，最接近的现有技术：沥青改性剂品种多而杂，沥青改性的措施也是多种多样，不同改性剂产生的效果千差万别，同一种改性剂不同掺量下的效果也有很大差别。许多道路工程案例表明，高速公路路面的早期损坏，在排除一些人为因素后，沥青混合料的物理力学性能不佳是一个不容忽视的首要原因。很多传统的改性沥青手段和方法并不能满足现在道路技术的要求，寻找新的改性沥青方法和技术措施，丰富现有的改性剂或者改性沥青品种是道路工作者的研究目标之一。

运用改性沥青改善沥青混合料路用性能的技术措施早已进行，比如sbs、sbr、pe、木质素纤维、湖沥青以及岩沥青等。在众多的改性剂中，天然岩沥青与基质沥青拥有很好的相融性，与此同时还具有生产便利等诸多优点，日益受到道路工作者的青睐。

天然岩沥青是一种在自然界受到多种环境影响改造生成的具有良好稳定性的沥青，它与基质沥青拥有很好的互溶性，把天然岩沥青用作改性剂，用于道路工程中可有效改善基质沥青的路用性能。天然岩沥青大都分布在离地表比较近的地层内，开采容易快捷，价格便宜，由于它们大多种类是固体状，使用过程中易加工成粉末状颗粒，加工后的小颗粒与石油沥青拥有很好的相溶性，造就了它与基质沥青之间具有优异的配伍特性。用它们加工生成改性沥青的方法简单快捷，额外成本低，只需在一定条件下直接投入到拌仓中与沥青混合料搅拌就可，极大地简化了改性工艺和施工措施，能有效降低工程的投资成本。由于改性沥青自身稳定的特性，在开采、生产、存储、运输和运用等多方面简单易操作。

天然岩沥青具有某些性能上的优势，它对基质沥青拥有很强的浸入性和对基质沥青中自由氧化基极强的抵抗能力，特别是它与集料结合后，使得二者之间的粘附性得到了极大的增强，结合后的改性集料的抗剥离性能得到了极大改善，对沥青路面的水稳定性有很大的帮助和提高。天然岩沥青掺入到基质沥青后生成的改性沥青在高温稳定性、抗老化性能、抗水损害方面都得到了提高和改善，低温性能较单纯的基质沥青也得到了相当程度的改善，在沥青路面病害预防起到了不可替代的作用，提高了道路服务标准、对道路的耐久性方面有着积极的作用，进而提高了道路使用寿命等多方面的性能。在道路施工与日常维修过程中使用，能充分改善道路的使用性能，是一种值得广泛推荐应用的良好沥青改性剂。其生产应用工艺简单便捷、价格便宜，具有很好的推广应用前景。

布敦岩沥青产于南亚的印度尼西亚布敦岛上，其形成是由于地下的石油成品不断地从地壳中冒出，渗入地表浅处的山体里、有损害的岩石裂隙中，经长时间的地质变化等物理条件下而形成的天然沥青。布敦岩沥青在被从地下或者山体里挖掘开采后进行粉碎加工，然后就形成类似于“煤灰”的浅褐色微细颗粒，这种天然岩沥青中的沥青含量大都在20％左右，剩余部分主要是一些矿物质，这些矿物质对基质沥青有很好的吸附特性，二者混溶后能够明显增加沥青与矿料间的粘附能力，被印尼人称之为活性剂。掺入布敦岩沥青的改性沥青具有优异的高温稳定特性、相当的低温抗裂能力、良好的抗老化性能，因此，对布敦岩沥青研究比较深入、推广应用比较早的国家，已经将其大面积推广应用于高速公路、机场跑道和桥隧铺装。sbs改性沥青混合料的改性工作是一个化学改性过程，但是岩沥青对沥青混合料的改性是一个物理过程，这个过程不需要任何化学改性剂或者催化剂，改性过程中对能源需求很低，对环境造成的污染也比sbs改性沥青混合料要小的多，尤其在现今人类生存环境日益恶劣的年代，较低的能耗意味着较低的废气排放，因而其发展前景较好。

天然岩沥青相比于传统改性剂有着自己的优势，其与石料的浸润性很强，粘附性及抗剥离性对基质沥青提高显著，有利于水稳定性优势的发挥。天然岩沥青对基质沥青的改善体现在多方面，在病害预防和延长寿命上效果显著，在承受一定时间交通荷载后，养护及大中修施工方便。但是在使用过程中未能大范围采用，是因为在众多优点中天然岩沥青美中不足，对沥青混合料低温抗裂性能的改善存在较大争议。目前，天然岩沥青作为改性剂已纳入规范，但在技术标准方面仍未建立可靠的指标，改性方法及控制条件未能明确，推广较为困难。

众所周知sbr可以显著改善基质沥青的低温性能，在聚合物改性沥青中使用较早的sbr改性剂和沥青的相容性比较好，其由于含有丰富的稠环芳烃，虽不能以分子级散开，但仍有少量进入基质沥青网络中，在制备改性沥青时如果sbr出现上浮，通过人工搅拌就能使其均匀分散。通过调查研究sbr可分成乳液聚合和溶液聚合两类，均是通过共聚丁二稀和苯乙烯得到的一种合成橡胶，并且sbr改性剂已大量应用于沥青改性且工艺成熟。由sbr和沥青共混而成为sbr改性沥青，其低温性能显著提升，这是因为sbr分子量较大(10万～150万)，属于高分子线性材料，重要的是玻璃化温度低至-50℃，添加到基质沥青后，改性沥青平均分子量增大。

通过显微镜观察，sbr与基质沥青可形成表面积很大的镶嵌结构，致使其具有较高的表面能。从sbr改性沥青微观结构可以看出sbr以2～5微米粒径均匀分布，由于对芳香分的选择性吸附，使沥青两相间更容易融合，沥青中分子的移动遇到阻碍。同时温度降低，沥青组分液-固相转变速度加快，塑性性能快速减弱，受到荷载时，微裂缝随之出现，而sbr微粒可以起到增韧增塑的作用，抵消一部分荷载效应，阻碍微裂隙的进一步扩展。因此sbr改性沥青的性能相对较好，尤其是在较低温度下能表现出良好的柔韧性、延展性和抗裂性。

综上所述，sbr改性沥青相对于基质沥青软化点显著提高，尤其是低温延度大幅度增加，但耐高温老化性能较差。而添加bra颗粒后沥青具有很强的抗高温老化能力，但低温延度较小。本发明主要针对岩沥青改性沥青低温易脆的缺点，将sbr加入到布敦岩沥青改性沥青中，目标是显著提升岩沥青改性沥青混合料低温性能的同时不影响其它性能，为其配合比设计和大范围使用提供依据。

综上所述，现有技术存在的问题是：岩沥青低温性能较差。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种提升岩沥青低温性能的复合改性沥青方法。

本发明是这样实现的，一种提升岩沥青低温性能的复合改性沥青方法，所述提升岩沥青低温性能的复合改性沥青方法包括：

第一步，布敦岩沥青bra与sbr复合改性沥青中bra与基质沥青的比例均为0.2：1；

第二步，将a级70基质沥青放入烘箱中，温度控制在150℃加热至全部充分熔化，将相应比例的布敦岩沥青bra烘干加入，再依次加入掺量为基质沥青质量3％～5％的sbr胶乳。

进一步，所述提升岩沥青低温性能的复合改性沥青方法bra改性沥青中bra与基质沥青的添加比例为20％。

本发明的另一目的在于提供一种由所述提升岩沥青低温性能的复合改性沥青方法得到的复合改性沥青，所述复合改性沥青中布敦岩沥青bra与基质沥青的比例均为0.2：1。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明可以改善岩沥青低温性能。具体方法：在布敦岩沥青(bra)中加入不同状态不同掺量的丁苯橡胶(sbr)，然后对不同掺量的sbr胶乳复合改性沥青的常规性能进行对比分析，确定sbr的最佳状态及掺量，确定出具体的改性岩沥青低温性能的方法。

附图说明

图1是本发明实施例提供的提升岩沥青低温性能的复合改性沥青方法流程图。

图2是本发明实施例提供的低温弯曲试验试验破坏应变对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有岩沥青低温性能较差的问题。本发明可以改善岩沥青低温性能。具体方法：在布敦岩沥青(bra)中加入不同状态不同掺量的丁苯橡胶(sbr)，然后对不同掺量的sbr胶乳复合改性沥青的常规性能进行对比分析。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的提升岩沥青低温性能的复合改性沥青方法包括以下步骤：

s101：布敦岩沥青(bra)与sbr复合改性沥青中bra与基质沥青的比例均为0.2：1；

s102：将a级70基质沥青放入烘箱中，温度控制在150℃加热至全部充分熔化，将相应比例的布敦岩沥青(bra)烘干加入，再依次加入掺量为基质沥青质量3％～5％的sbr胶乳。

下面结合试验对本发明的应用效果作详细的描述。

1、首先确定布敦岩沥青(bra)的掺量。本发明以70#基质沥青作为基础沥青进行布敦岩沥青改性沥青的生产制备。改性沥青的基本性能指标如下：

表1改性沥青、70#基质沥青基本性能指标

从表中可得：bra改性沥青中bra与基质沥青的添加比例为20％。即bra与sbr复合改性沥青中bra与基质沥青的比例均为0.2：1。

接下来制备bra-sbr复合改性沥青。将a级70基质沥青放入烘箱中，温度控制在150℃加热至全部充分熔化，将相应比例的布敦岩沥青(bra)烘干加入，再依次加入掺量为基质沥青质量3％，5％,7％,9％的sbr胶乳，以此制成不同sbr含量的bra-sbr复合改性沥青。

然后，测定bra-sbr复合改性沥青的针入度、软化点，延度。

表2bra与sbr胶乳复合改性沥青的常规技术性能指标

由表2可以看出，在25℃温度下，bra与sbr复合改性沥青和单一bra改性沥青相比，在复合改性沥青中sbr含量为3％、5％、7％时，其针入度均分别降低了20％、25％、28％，而sbr掺量为9％时其针入度仅降低了12％。在这个过程中，复合改性沥青25℃针入度的变化趋势大体相同。sbr掺量为3％、5％、7％的复合改性沥青的针入度小，硬度大，抗变形能力强，但是其掺量为9％时在三个温度下的针入度均比其它三个掺量的复合改性沥青大，高温稳定性反而有所下降，这主要是因为随着sbr掺量的增加，改性沥青中改性剂的分散度减小，稳定度有所降低。这说明在bra与sbr复合改性沥青中sbr胶乳的掺量并不是越大越好，建议掺量控制在3％～5％。

为了进一步评价复合改性沥青的低温性能，根据针入度计算当量脆点，根据当量脆点分析岩沥青改性沥青的低温性能；并开展延度、软化点、老化试验来评价复合改性沥青的性能，最后对改性沥青进行低温弯曲梁试验，通过弯曲蠕变劲度分析岩沥青改性沥青的低温性能。

综合不同状态不同掺量sbr对bra改性沥青常规技术性能的影响，考虑到复合改性沥青常规性能变化规律，通过对比分析，确定sbr的掺量，从而确定提升岩沥青低温性能的方法。

下面结合试验对本发明的应用效果作详细的描述。

(1)针入度

沥青的针入度与沥青路面的使用性能有着密切的关系。目前，针入度仍然是我国规范中评定沥青标号的最主要指标，它不仅表现在高温稳定性上，对低温抗裂性能也同样重要。对油源相同或稳定敏感性相同的沥青，针入度大即较稀的沥青具有较低的劲度模量，而比较稠的沥青路面裂缝少。在含量相同的情况下，为预防路面开裂，宜采用针入度较大的软质沥青。

对bra-sbr复合改性沥青进行针入度试验，结果表3所示。

表3bra-sbr复合改性沥青针入度试验结果

随着sbr的增加，bra-sbr复合改性沥青的针入度增加。在15℃下，sbr掺量为2％、4％、5％、6％和8％的bra-sbr复合改性沥青针入度比bra改性沥青的针入度分别增加12.82％、18.59％、30.77％、44.23％、58.97％。

sbr使bra改性沥青的当量脆点降低，。sbr掺量为2％、4％、5％、6％和8％的bra-sbr复合改性沥青当量脆点比bra改性沥青的当量脆点分别降低2.42℃、3.19℃、4.35℃、5.96℃、7.99℃。

随着sbr的增加，bra-sbr复合改性沥青的当量软化点先增加后降低。sbr掺量为2％和4％的bra-sbr复合改性沥青当量软化点比bra改性沥青的当量软化点分别增加0.51℃、0.23℃，5％、6％和8％的bra-sbr复合改性沥青当量软化点降低0.8℃、1.82℃、2.02℃。

(2)软化点

软化点的高低常用于评价沥青的高温稳定性，沥青的软化点是一个反映沥青感温性的指标，也是黏度的一种量度。软化点高意味着等黏温度高，混合料的高温稳定性也好。道路沥青具备适度的软化点，可以保证在较高的环境温度和有车辆行驶的条件下，沥青路面不产生形变。本发明中软化点试验依照规程t0606-2011的要求进行两次平行试验，将两次试验得到的软化点平均值精确到0.5℃，试验所得数据如表4所示。

表4bra-sbr复合改性沥青软化点试验结果

由表4可知，掺入sbr胶乳会降低沥青的高温性能，刚开始bra改性沥青的软化点分别提高了3℃、4.5℃、5℃和5.5℃。然而当超过5％，软化点呈现降低的趋势。(3)延度

沥青的延度表示沥青在一定的温度下拉伸至断裂前的变形能力，是道路沥青最重要的指标之一。有些国家的道路沥青标准并不设延度指标，也有些人认为延度指标没有什么意义。虽然对沥青的延度指标还有异议，但是从大量的统计结果显示，沥青的延度高，沥青的低温变形能力大，沥青路面不易开裂，低温下的延度对沥青的使用性能的影响尤为明显，因而最新的高等级道路沥青标准中增加了l0℃的延度指标。沥青的延度与其组成有很大的关系，其大小表征了沥青各组分之间的配伍性或胶活性。

本发明仍采用10℃延度来研究掺入sbr改性后bra-sbr复合改性沥青的低温拉伸性能。

表5bra-sbr复合改性沥青10℃延度试验结果

由表可知，掺入sbr可有效提高沥青的低温性能，且随着掺量的增加效果越好。在sbr胶乳产量分别为2％、4％、5％、6％、8％时，延度分别提高4.59cm、8.04cm、11.73cm、14.31cm、15.47cm。

(4)短期老化性能试验

沥青短期老化通常发生在沥青拌合和铺筑过程中，与沥青在沥青罐储存、沥青池加热过程中的老化不同，虽然该老化过程所需时间较短，但沥青受热温度高，与空气接触面积大，因而老化速率较快。旋转式薄膜加热实验和薄膜加热实验都是模拟与集料进行热拌和过程中呈薄膜状态的道路沥青受到高温和空气的作用，发生一系列物化反应，最终导致沥青硬化的短期老化实验。短期老化实验本身并没有得到任何数据，而是对硬化后的沥青的各种性能进行测试，并与未进行老化处理的沥青进行性能对比，用于考察沥青的热老化性以及老化前后沥青的黏附性、流动性以及化学组成的变化。

沥青短期老化试验流程如下：将50g沥青试样放入直径为140mm,深9.5mm的不锈钢盛样盘中，沥青膜的厚度为3.2mm，在163℃±1℃通风烘箱中以5.5r/min±1r/min的转速旋转，实验经过5h后，测定沥青的质量变化、25℃针入度等性质指标。

表6bra-sbr改性沥青短期老化试验结果

可知，随着sbr掺量增加,bra-sbr复合改性沥青质量损失先减小后增大，残留针入度先增大后减小，表明掺入sbr会降低bra改性沥青抗老化性能，且随着掺量的增加老化程度加剧。

(4)低温弯曲流变

低温弯曲梁流变(bbr)试验是superpave沥青胶结料规范中评判沥青低温性能的主要试验，其利用bbr测定沥青在低温区(<0℃)的弯曲蠕变劲度或可塑性，通过沥青小梁完成该测定。在简支梁的中间点给予沥青试件固定的负载，并测定其弯曲蠕变劲度s(t)和m值，从而描述了在线性黏弹区域内的沥青试件在试验温度下的低温应力—应变—时间响应。其中弯曲蠕变劲度s(t)为梁在t时刻的最大弯曲应力与最大弯曲应变的比值，m值为劲度与时间双对数坐标下曲线斜率的绝对值。

经历tfot和pav老化后不同sbr胶乳掺量下bra-sbr复合改性沥青的bbr试验结果如表7所示。

表7bra-sbr复合改性沥青bbr试验结果

通过对比不同sbr胶乳掺量下bra-sbr复合改性沥青的劲度模量可发现，bra-sbr复合改性沥青的劲度模量随着sbr胶乳的增加逐渐减小。未掺入sbr胶乳的bra-sbr复合改性沥青-6℃的劲度模量是5％sbr掺量的复合改性沥青的1.84倍，说明sbr掺量的提升可以提高bra-sbr复合改性沥青的低温柔性。20％掺量的bra-sbr复合改性沥青是基质沥青-12℃劲度模量的1.59倍，说明bra-sbr复合改性沥青的低温稳定性相较而言有所下降。

对比蠕变速率可发现，bra-sbr复合改性沥青的蠕变速率随着sbr掺量的提升而增大，5％sbr掺量的-6℃蠕变速率是0％掺量的1.37倍，20％sbr掺量的bra-sbr复合改性沥青-12℃蠕变速率是基质的0.84倍，是sbs改性沥青的0.69倍，说明sbr可以提高bra-sbr复合改性沥青的低温柔性，但相对于基质沥青与sbs改性沥青而言，长期的低温稳定性有所下降。

m/s表明在sbr胶乳掺量分别为2％、4％、5％、6％、8％时，bra-sbr复合改性沥青在-6℃的低温弯曲柔性分别为单掺15％bra改性沥青的1.27、1.58、2.14、2.51、2.92倍，表明sbr胶乳对bra改性沥青的低温柔性的改善效果显著。

为了进一步验证复合改性沥青在实际道路中的应用情况，本文对复合改性沥青混合料进行了低温抗裂性测试：

沥青混合料低温抗裂性是指沥青路面在低温时不产生裂缝的能力。冬季气温低，沥青面层易产生体积收缩，而在基层结构与周围材料的约束作用下，沥青混合料不能自由收缩，从而在结构层中产生温度应力。由于沥青混合料具有一定的应力松弛能力，当降温速率较慢时，所产生的温度应力会随着时间的延长而松弛减小，不会对沥青路面产生较大的危害。但当气温骤降时，所产生的温度应力来不及松弛，温度应力一旦超过沥青混合料的容许应力值，沥青混合料会被拉裂，导致沥青路面出现裂缝，从而造成路面的损坏。沥青混合料的低温强度越大，低温变形能力越大，其低温抗裂性就越好。

试验结果见表8。

表8低温弯曲试验试验结果

由试验数据可知：

(1)从低温弯拉应变来看，《公路沥青路面施工技术规范》(itgf40—2004)以沥青混合料低温弯曲试验中小梁破坏时的最大拉应变为沥青混合料低温拉伸性能的评价指标。普通沥青混合料需满足破坏时的最大拉应变大于2000，而改性沥青混合料破坏时的最大拉应变应大于2500。在四种沥青混合料中，仅bra改性沥青未能满足规范要求，这主要是由于布敦岩沥青的加入使得抗弯拉应变变小，沥青混合料整体变脆，其抗裂性能也略有下降。bra-sbr复合改性沥青混合料的低温破坏应变都有明显提高，说明其低温性能有明显的改善。

(2)从劲度模量来看，bra改性沥青则使沥青混合料的劲度模量显著增加，说明bra改性会严重削弱沥青混合料的低温性能。而经bra-sbr复合改性后bra改性沥青混合料在低温段的劲度模量有所降低，其低温性能得以提升。

(3)综合这三个指标来看，这三种改性沥青混合料中，bra-sbr复合改性沥青混合料的低温性能最好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。